Un team di ricercatori della Rutgers University ha scoperto una nuova forma di materia partendo da un fenomeno estremamente raro: l’anisotropia elettronica, ovvero la capacità di un materiale di condurre elettricità in modo diverso a seconda della direzione. Questo comportamento ha portato all’identificazione di un cristallo liquido quantico, uno stato quantistico mai osservato prima, che emerge dall’interazione tra due materiali esotici combinati in una struttura a sandwich.
Pubblicata su Science Advances, la scoperta apre nuove prospettive nello studio della materia, andando oltre i quattro stati classici (solido, liquido, gassoso, plasma) e offrendo potenziali applicazioni nello sviluppo di sensori quantistici ultra-sensibili.
Quando due materiali estremi si incontrano
Il cuore della scoperta sta nell’interazione tra due materiali straordinari: il semimetallo di Weyl, un conduttore dalle proprietà quasi “magiche”, e il ghiaccio di spin, un isolante magnetico con una struttura molto particolare. Il primo consente alla corrente elettrica di fluire ad altissima velocità e senza dispersioni, grazie alla presenza dei cosiddetti fermioni di Weyl, particelle che si comportano secondo le leggi della relatività. Il secondo, invece, è caratterizzato da momenti magnetici disposti in modo simile agli atomi di idrogeno nel ghiaccio, da cui prende il nome.
“Ogni materiale è stato già studiato in dettaglio, ma la loro interazione al confine era finora un territorio inesplorato”, spiega Tsung-Chi Wu, primo autore dello studio e neo-dottore in fisica e astronomia. È proprio sottoponendo questa combinazione di materiali a campi magnetici estremamente intensi che emergono nuove fasi quantistiche, possibili solo grazie all’incontro tra queste due sostanze così diverse.
Il laboratorio degli estremi
Gli esperimenti sono stati condotti principalmente al National High Magnetic Field Laboratory in Florida, dove condizioni estreme - temperature ultra-basse e campi magnetici potentissimi - hanno permesso di osservare fenomeni altrimenti invisibili. Proprio in questo contesto, il team ha rilevato un comportamento elettronico sorprendente all’interfaccia tra i due materiali: la conducibilità elettrica raggiungeva i valori minimi in sei direzioni precise lungo un cerchio di 360 gradi.
La vera svolta, però, è arrivata quando i ricercatori hanno aumentato l’intensità del campo magnetico: gli elettroni hanno improvvisamente iniziato a fluire in due direzioni opposte contemporaneamente. Questo comportamento inusuale è indicativo di una rottura della simmetria rotazionale, una firma inequivocabile dell’emergere di nuove fasi quantistiche, osservabili solo in condizioni estreme.
Una ricetta lunga quattro anni
La realizzazione di questa eterostruttura quantistica è stata tutt’altro che semplice. Il processo ha richiesto quattro anni di sperimentazione continua e ha spinto il team guidato da Jak Chakhalian, professore di fisica sperimentale e responsabile del progetto, a sviluppare una macchina apposita: la Q-DiP, acronimo di Quantum Phenomena Discovery Platform (piattaforma per la scoperta di fenomeni quantici).
“In uno studio precedente abbiamo spiegato come costruire l’eterostruttura,” racconta Chakhalian. “Il nuovo articolo, pubblicato su Science Advances, è invece dedicato alle sue potenziali applicazioni.”
La struttura ottenuta è composta da strati atomici di materiali diversi, talmente sottili da poter essere misurati solo su scala atomica.
Verso sensori del futuro
Le implicazioni pratiche di questa scoperta potrebbero essere straordinarie. Capire come si comportano gli elettroni in questi materiali esotici potrebbe infatti portare alla progettazione di sensori quantistici di nuova generazione, in grado di rilevare campi magnetici con una sensibilità mai raggiunta prima. Questi dispositivi sarebbero particolarmente utili in ambienti estremi, come lo spazio o all’interno di macchinari ad alta potenza, dove i sensori convenzionali non riescono a funzionare correttamente.
Fondamentale, in questo percorso, è stata la sinergia tra esperimento e teoria. “Ci sono voluti più di due anni per interpretare correttamente i dati sperimentali,” spiega Wu. “Il merito va al lavoro teorico all’avanguardia del gruppo di Jedediah Pixley, in particolare grazie ai contributi dello stesso Pixley e del ricercatore post-doc Yueqing Chang.”
Frontiere quantistiche da esplorare
Questa scoperta segna solo l’inizio di un nuovo capitolo nella fisica della materia condensata. Stati quantistici mai osservati prima continuano a emergere quando la materia viene portata a condizioni estreme di temperatura, pressione o campi magnetici, dando origine a comportamenti che mettono in discussione i modelli tradizionali.
"Esistono moltissime opportunità per esplorare nuovi materiali quantistici e le loro interazioni quando vengono combinati in eterostrutture", commenta Wu. "Speriamo che il nostro lavoro possa ispirare la comunità scientifica a spingersi oltre, verso nuove frontiere ancora tutte da scoprire". Il team della Rutgers prosegue nella sua ricerca, con l’obiettivo di superare i limiti attuali della conoscenza e sviluppare materiali quantistici pensati per le tecnologie del futuro.
